Industrie 4.0

Was versteht man unter Industrie 4.0?

Der Begriff Industrie 4.0 steht für den vierten grossen Umbruch in der Industriegeschichte. Es handelt sich um einen tiefgreifenden Wandel der industriellen Produktion, der durch umfangreiche Digitalisierung erreicht wird. Im Fokus steht hierbei die intelligente Vernetzung von Prozessen und Maschinen mithilfe moderner Kommunikations- und Informationstechnologie.

Historische Einordnung

Unter dem Titel Industrie 4.0 erlebt die Industrie derzeit ihren vierten fundamentalen Wandel. Den Anfang dieser Entwicklung bildet die erste industrielle Revolution. Sie fand bereits im 18. Jahrhundert mit dem Einsatz von Dampfmaschinen und Wasserkraft statt. Anfang des 20. Jahrhunderts folgten dann die Massenproduktion auf Produktionsstrassen und die Einführung des Fliessbands. In den 1970er Jahren veränderte die Einführung computergestützter Verfahren erneut die gesamte Industrie. Derzeit befinden wir uns in der vierten Revolution, die auch als Digitalisierung oder digitale Transformation bezeichnet wird. Parallel dazu hat sich der Begriff Industrie 4.0 etabliert. Er wurde ursprünglich von der deutschen Bundesregierung im Rahmen ihrer Hightech-Strategie geprägt. Inzwischen ist das Schlagwort jedoch zu einem Marketingbegriff geworden, der heute auch in der Wirtschafts- und Wissenschaftskommunikation weit verbreitet ist.

Zwischen der dritten und der vierten industriellen Revolution bestehen einige Unterschiede. War es in den 1970er Jahren der Computer, der weitreichende Veränderungen brachte, so ist es heute das Internet. Es stellt die Basis der weltweiten Vernetzung von Unternehmen und der Einbeziehung von Big Data in Unternehmensentscheidungen dar und ist damit der Wegbereiter der neuen Industrie-Epoche.

Was sind die Ziele der Industrie 4.0?

Die übergeordneten Ziele der Industrie 4.0 sind Produktivitätssteigerungen, Kostensenkungen und eine Flexibilisierung der Fertigung. Letzterer Punkt spielt insbesondere für die hochgradige Individualisierung von Produkten eine wichtige Rolle. Zur Erreichung dieser Ziele sind insbesondere zwei Entwicklungen relevant: die Vernetzung und die Selbststeuerung. Sehen wir uns im Folgenden an, was sich hinter diesen Faktoren verbirgt.

Vernetzung

Unter Vernetzung ist die systemtechnische Verbindung aller am Produktionsprozess beteiligten Menschen und Objekte (Anlagen, Maschinen, Transportbehälter, Transporteinrichtungen, Zwischenerzeugnisse und Endprodukte) zu verstehen. Weiterhin werden alle Partner (Kunden, Hersteller und Lieferanten) entlang der Wertschöpfungskette miteinander verbunden. Oftmals ist in diesem Zusammenhang auch die Rede von einer Verknüpfung zwischen physischer (realer) und virtueller Welt in der Industrie. Das Ziel der Industrie 4.0 ist es hierbei, sämtliche Objekte und Prozessbeteiligte dazu zu befähigen, untereinander Daten auszutauschen und intelligent aufeinander zu reagieren.

Selbststeuerung

In der Vergangenheit wurden Produktionsanlagen zentral gesteuert. Informationen wurden in unterschiedlichen IT-Systemen gesammelt und von menschlichen Mitarbeitern ausgewertet (interpretiert). Auf dieser Basis konnten dann Anpassungen vorgenommen werden - etwa zur Steigerung der Produktivität oder der Effizienz.

In der Industrie 4.0 verändert sich dieser Prozess grundlegend. Sämtliche Maschinen und auch die hergestellten Erzeugnisse werden mit Kommunikationstechnologien wie Sensoren ausgestattet sein, um fortlaufend und in Echtzeit zu kommunizieren. Die Objekte tauschen nicht nur untereinander Informationen aus, sondern übermitteln ihre Daten auch an verschiedene IT-Systeme. Hierzu zählt die Produktionsplanung und -steuerung ebenso wie die Wartung, die Entwicklung, die Materialwirtschaft oder der Vertrieb.

Smart Factory als Endausbaustufe

In der Endausbaustufe der Industrie 4.0 entsteht auf diese Weise die sogenannte Smart Factory (intelligente Fabrik). Sie zeichnet sich dadurch aus, dass Algorithmen alle Maschinen selbstständig steuern und intelligent auf aktuelle Rahmenbedingungen reagieren. Jede Maschine weiss aufgrund der Vernetzung mit der Materialwirtschaft beispielsweise, wie viele Bauteile sich derzeit im Lager befinden. Geht der Bestand zur Neige, platziert das System automatisch eine Bestellung beim angebundenen Lieferanten. Die intelligente Selbststeuerung in der Industrie 4.0 ermöglicht es zudem, äusserst kurzfristig auf veränderte Kundenwünsche zu reagieren. Entscheidet sich beispielsweise ein Autokäufer in letzter Minute für ein Panoramadach, so plant die Smart Factory eigenständig einen anderen Produktionsablauf für das Fahrzeug ein.

Die heutige Zentralsteuerung von Industrieunternehmen weicht also der intelligenten (dezentralen) Selbstoptimierung durch Algorithmen. Charakteristisch ist hierbei, dass Maschinen und Roboter nicht nur vorgegebene Arbeitsschritte tausendfach wiederholen. Vielmehr entscheiden sie selbstständig, wann welches Bauteil welchen Weg durch die Fertigung nimmt.

Welche Technologien spielen in der Industrie 4.0 eine Rolle?

In diesem Abschnitt möchten wir die Industrie 4.0 aus technischer Sicht betrachten. Konkret geht es um die Frage, welche Technologien notwendig sind, um die Aspekte „Vernetzung“ und „Selbststeuerung“ zu realisieren. Zu nennen sind insbesondere:

• Kommunikationstechnologien
• Industrial Internet of Things (IIoT); insbesondere Sensortechnologie
• Robotik
• Künstliche Intelligenz
• Additive Produktionsverfahren; insbesondere 3D-Druck
• Big Data und vorausschauende Analysen
• Cyber-physische Systeme und digitale Zwillinge
• Cloud Computing
• ERP-Software, MES und APS

Im Folgenden beschreiben wir diese technologischen Aspekte der Industrie 4.0 aufgrund ihrer hohen Relevanz näher.

Kommunikationstechnologien

Industrie 4.0 steht und fällt mit der Übertragung von Daten in Echtzeit (oder zumindest in Near-Real-Time). Die Kommunikation findet in weiten Teilen nicht in lokalen Netzwerken, sondern über das Internet statt. Neben stabilen Breitbandverbindungen ist insbesondere ein leistungsfähiger Mobilfunkstandard erforderlich, welcher in Form von 5G momentan etabliert wird. Es existieren jedoch noch andere kabellose Übertragungswege, die in der Industrie 4.0 eine Rolle spielen. Hierzu zählen:

• Low Power Wide Area Network (LPWAN)
• RFID
• NFC (Nahfeldkommunikation)

Industrial Internet of Things (IIoT)

Vernetzung und Selbststeuerung können nur realisiert werden, wenn jedes Objekt digital erfasst wird und kommunizieren kann. Die Gegenstände müssen daher mit digitalen Speichermedien, Kommunikationslösungen und Sensoren ausgestattet werden. Diese Verknüpfung von realen Objekten mit dem Internet wird im industriellen Umfeld auch Industrial Internet of Things (IIoT) genannt.

Robotik

Diese Technologie ist nicht neu, gewinnt jedoch im Kontext von Industrie 4.0 nochmals an Bedeutung, da ohne sie kaum eine vollständige Automatisierung von Produktionsprozessen realisierbar ist. Auch für die Individualisierung der Produktion spielen Roboter eine wichtige Rolle in allen Branchen. Sie werden immer flexibler und eignen sich daher auch für kleinere Stückzahlen. In Kombination mit Machine Learning sind sie in der Lage, Aufgaben eigenständig zu erledigen und sich dabei fortlaufend zu optimieren.

Künstliche Intelligenz

Eine Schlüsseltechnologie für autonome Produktionsprozesse in der Industrie 4.0 ist künstliche Intelligenz (KI). Sie ist in der Lage, aus Mustern oder wiederkehrenden Zuständen Ableitungen vorzunehmen. Relevant ist dies an vielen Stellen - etwa in der Produktionsplanung, bei der Maschinensteuerung und auch in der Logistik (intern wie extern). Zudem ermöglicht KI die sogenannte vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance).

Additive Produktionsverfahren (3D-Druck)

Ein wichtiges Ziel der Industrie 4.0 ist die Flexibilisierung der Produktion. Dies reicht bis zur sogenannten Losgrösse 1, der Herstellung von Unikaten nach Kundenwunsch. Insbesondere für Unternehmen der Serien- und Massenfertigung stellt dies jedoch eine Herausforderung dar, weil traditionelle Produktionsanlagen auf grosse Stückzahlen ausgelegt sind. Es sind deshalb neue Fertigungsverfahren notwendig, bei denen auf die aufwendige Umrüstung von Anlagen verzichtet werden kann. Hohes Potenzial besitzt hierbei der 3D-Druck, bei dem das Material schichtweise aufgetragen wird. Somit lassen sich individuelle Werkstücke ohne spezielle Vorbereitung und ohne Werkzeug herstellen.

Big Data und vorausschauende Analysen

Big Data bezeichnet grosse Mengen an Daten mit hoher Komplexität. In der Industrie 4.0 entstehen diese Daten insbesondere durch Sensoren. Die Herausforderung liegt darin, die Daten zu harmonisieren und in eine Korrelation zu setzen. Anschliessend können sie für Analysen und Prognosen eingesetzt werden. Im Kontext der Industrie 4.0 ermöglicht die Verarbeitung von Big Data beispielsweise eine Vorhersage der Kundennachfrage, die vorausschauende Wartung von Maschinen (siehe KI) sowie eine Prognose der Kapazitätsauslastung in der Produktion. Nicht zuletzt lassen sich durch die Nutzung vorhandener Daten zusätzliche Dienstleistungen oder gänzlich neue Geschäftsmodelle realisieren.

Cyber-physische Systeme und digitale Zwillinge

Cyber-physisches Systeme (kurz CPS) sind im Rahmen der vierten industriellen Revolution ebenfalls ein bedeutsamer Faktor. Sie ermöglichen eine Verknüpfung der realen (physischen) Welt mit virtuellen Prozessen und Objekten. Hierfür erhalten Produkte, Maschinen, Anlagen und sonstige Objekte in der Industrie 4.0 eine zweite Identität im Netz - den sogenannten digitalen Zwilling (Digital Twin). Auf diese Weise ist es möglich, die Objekte virtuell zu vernetzen, zu steuern, zu testen und zu optimieren.

Cloud Computing

Sowohl die Vernetzung als auch die schnelle Verarbeitung grosser Datenmengen in der Industrie 4.0 erfordern umfangreiche Rechen- und Speicherkapazitäten. Diese müssen bei Bedarf zudem kurzfristig skalierbar sein. Da dies mit eigenen Rechenzentren nur noch schwer abbildbar ist, setzen sich Cloud-Lösungen durch. Diese IT-Infrastrukturen stehen via Internet zur Verfügung und werden als Dienstleistung von spezialisierten Anbietern zur Verfügung gestellt.

ERP-Software, MES und APS

Selbstverständlich müssen sowohl betriebswirtschaftliche als auch logistische und produktionsbezogene Prozesse in der Industrie 4.0 von modernen Systemen verwaltet werden. Hierfür sind aus heutiger Sicht insbesondere drei Software-Arten relevant:

• ERP-Software: zuständig für (automatisierte) Geschäftsprozesse und die Verbindung zwischen kaufmännischen und technischen Bereichen
• MES (Manufacturing-Execution-Systeme): Steuerung und Überwachung der Produktion in Echtzeit, direkte Anbindung an die Maschinendaten- und Betriebsdatenerfassung, Bindeglied zwischen ERP und Produktion
• APS (Advanced Planning and Scheduling): fortgeschrittene Feinplanung und Terminierung, die neben der Produktion auch Logistikprozesse entlang der Wertschöpfungskette umfasst

Industrie 4.0: Wie ist der aktuelle Stand in Deutschland?

Industrie 4.0 ist eine Ära, die vor Kurzem begonnen hat und ihre finale Ausprägung erst in Zukunft erreichen wird. Es werden noch etliche Jahrzehnte vergehen, bis die „Smart Factory“ flächendeckend Einzug gehalten hat.

Die Frage, wo wir aktuell stehen, beantwortet beispielsweise der „Deutsche Industrie 4.0 Index“, welcher von der Staufen AG herausgegeben wird. Demnach hatten im Jahr 2018 43 Prozent aller Unternehmen Erfahrung mit der digitalen Transformation durch operative Projekte. 9 Prozent setzen Industrie 4.0 bereits umfassend um. Nur noch 24 Prozent gehören zu der Gruppe der „Beobachter“.

Am häufigsten wird laut der Studie über Predictive Analytics diskutiert - gefolgt von Smart Data und künstlicher Intelligenz. Schon 16 Prozent der Betriebe sind gemäss der Erhebung in der Lage, Losgrösse 1 zu Kosten der Serienfertigung umzusetzen.

Der Branchenverband Bitkom veröffentlichte im April 2018 folgende Zahlen, die ebenfalls Aufschluss über den Stand der Industrie 4.0 in Deutschland geben:

• 24 Prozent aller Maschinen sind mit dem Internet verbunden
• 49 Prozent der Unternehmen nutzen Industrie-4.0-Anwendungen
• Die Top-3-Motivationsfaktoren sind verbesserte Prozesse, verbesserte Kapazitätsauslastung und geringere Produktionskosten
• 72 Prozent fürchten hohe Kosten für den Datenschutz

Beispiele aus der Wirtschaft für Industrie 4.0

Was in Sachen Industrie 4.0 heute bereits möglich ist, zeigen Beispiele aus der Wirtschaft. So nutzt der baden-württembergische Ventilatoren- und Motorenhersteller ebm-papst SAP Manufacturing Execution (SAP ME), um die Produktion zu digitalisieren und sich mit Kunden und Lieferanten zu vernetzen. Der Datenaustausch zwischen den Produktionsmaschinen und SAP ME erfolgt autonom. Unter anderem kann die Leistungsfähigkeit der Produktion hierdurch in Echtzeit überwacht werden. Zudem sind sämtliche Bauteile vom Lieferanten bis zum Kunden rückverfolgbar.

Ein Vorreiter in puncto Smart Factory ist das Technologieunternehmen HARTING. Es hat die flexible Fertigung eines Steckverbinders umgesetzt. Kunden können dieses Bauteil über ein Shop-System individuell konfigurieren und bestellen. Unter anderem haben Besteller die Möglichkeit, dem Steckverbinder eine eigene Kennzeichnung (z. B. Materialnummer) zuzuordnen. Die Verarbeitung der Bestellung erfolgt in einem SAP-System. Der sich anschliessende Produktionsprozess, welcher ebenfalls von SAP-Software geplant und gesteuert wird, wird vollautomatisch durchlaufen.

Welche Vorteile und Nachteile bietet die Industrie 4.0?

Insgesamt geht die Industrie 4.0 mit weitreichenden Veränderungen für Unternehmen, Kunden und Mitarbeiter einher. Neben enormen Chancen bestehen auch Risiken.

Chancen und Risiken der Industrie 4.0 aus Sicht des Menschen

Jede industrielle Revolution hat zum Verlust von Arbeitsplätzen geführt, jedoch sind stets auch neue Berufsbilder entstanden. Dies trifft auf die vierte industrielle Revolution ebenfalls zu. Hier ist davon auszugehen, dass Arbeitsplätze in der Produktion und der Logistik verloren gehen werden. Betroffen sind mittelfristig insbesondere Routinetätigkeiten, die besonders gut durch intelligente Maschinen übernommen werden können. Für die verbleibenden Mitarbeiter hat die weitreichende technische Unterstützung im Umfeld der Industrie 4.0 jedoch auch Vorteile. Sie werden von körperlich schweren und monotonen Arbeiten entlastet und gewinnen Freiräume für höherwertige Tätigkeiten. Schichtarbeit wird unnötig und Arbeitszeiten lassen sich flexibler gestalten. Die Rede ist in diesem Zusammenhang auch von Arbeit 4.0.

Chancen und Risiken der Industrie 4.0 aus Sicht der Unternehmen

Für Unternehmen bietet Industrie 4.0 erhebliche Potenziale. Einerseits können Ressourcen (auch Mitarbeiter) eingespart werden, auf der anderen Seite lassen sich Produktivität und Effizienz in der Fertigung erheblich steigern. Zudem wird es der digitale Wandel ermöglichen, Kleinstserien und sogar Einzelstücke ohne hohe Zusatzkosten zu fertigen. Dies ist ein wichtiger Faktor hinsichtlich der Kundenzufriedenheit. Nicht zuletzt können Daten dazu genutzt werden, neue Services oder Geschäftsmodelle zu entwickeln. Die Möglichkeiten der Industrie 4.0 reichen hier bis zur Erschliessung völlig neuer Marktsegmente.

Diesen Chancen stehen jedoch auch Herausforderungen gegenüber, die wir im Folgenden näher betrachten möchten.

Welche Herausforderungen bringt Industrie 4.0 für den Mittelstand?

Herausforderungen ergeben sich aus der Industrie 4.0 grundsätzlich für Unternehmen aller Branchen und Grössenordnungen. Besonders schwierig gestaltet sich die digitale Transformation jedoch für den Mittelstand. Hier sind die Budgets für Automatisierungstechnologien, neue Systeme und hoch performante Netzwerke naturgemäss eher begrenzt. Zudem ist die Wirtschaftlichkeit solcher Investitionen im Vorfeld nur schwer abzuschätzen. Auf der anderen Seite kann allzu grosses Zögern über kurz oder lang den Verlust der Wettbewerbsfähigkeit bedeuten.

Eine weitere Herausforderung der Industrie 4.0 liegt in der Veränderung der Arbeitswelt. Mitarbeiter, deren bisherige Aufgabe durch Automatisierung entfällt, müssen umgeschult werden, um ihnen neue Perspektiven zu bieten. Allgemein erfordert der Wandel ein gutes Change Management, um die betroffenen Menschen abzuholen, Ängste abzubauen und sie an neue Formen der Arbeit heranzuführen.

Ein nicht zu unterschätzendes Risiko der Industrie 4.0 liegt zudem in den Bereichen Datenschutz und Datensicherheit. Insbesondere mittelständische Unternehmen, die bisher kaum vernetzt waren, haben an dieser Stelle grosse Hürden zu bewältigen. Einerseits sind hohe Investitionen in die IT-Sicherheit erforderlich, auf der anderen Seite muss Know-how aufgebaut werden. Jedoch besteht bereits heute ein eklatanter Mangel an IT-Fachkräften, weshalb meist kein Weg an der Zusammenarbeit mit externen IT-Security-Spezialisten vorbeiführt.

Welche Lösungen bietet SAP für die Industrie 4.0?

Fertigungsbetriebe gehören traditionell zum Kundenkreis der SAP. Es ist daher nur logisch, dass der führende Walldorfer Software-Konzern ein umfangreiches Lösungsportfolio für die Industrie 4.0 bereithält. Zu nennen sind insbesondere die Komponenten der „SAP Digital Manufacturing Suite“:

• SAP Digital Manufacturing Cloud
• SAP Manufacturing Execution
• SAP Manufacturing Integration and Intelligence
• SAP S/4HANA Manufacturing

Wie diese Lösungen im Kontext von Industrie 4.0 eingesetzt werden, beschreiben wir in den folgenden Abschnitten.

SAP Digital Manufacturing Cloud

SAP Digital Manufacturing Cloud ist ein cloudbasiertes Manufacturing-Execution-System, das eine Zusammenführung von Daten aus SAP-ERP-Systemen und Fertigungssystemen im Sinne der Industrie 4.0 ermöglicht. Die Software kombiniert also Geschäfts- und Fertigungsprozesse. Sie ermöglicht es zudem, Daten aus der Fertigung (IoT) nahezu in Echtzeit zu überwachen und zu analysieren. Die Transparenz hinsichtlich der aktuellen Fertigungsleistung steigt hierdurch deutlich.

SAP Manufacturing Execution

Bei SAP Manufacturing Execution handelt es sich ebenfalls um ein Fertigungsleitsystem, das nahtlos mit SAP ERP zusammenarbeitet. Es ermöglicht eine zentrale Kontrolle und Steuerung der Fertigung und Montage. Zudem verfügt es über Möglichkeiten der automatisierten Datenerfassung aus dem Internet der Dinge, eine Grundvoraussetzung für Industrie 4.0.

SAP Manufacturing Integration and Intelligence

SAP Manufacturing Integration and Intelligence ist eine webbasierte Plattform für die sogenannte vertikale Integration. Dieser Begriff bezeichnet die Integration verschiedener IT-Systeme (z. B. IoT-Sensoren, Produktionssteuerung/Shop-Floor-Systeme, Unternehmensplanung) in einer durchgängigen Lösung. Somit schafft diese SAP-Software eine wichtige Voraussetzung für die Smart Factory in der Industrie 4.0: die Vernetzung sämtlicher Datenquellen und Verarbeitungssysteme im Unternehmen. Zudem bildet SAP Manufacturing Integration and Intelligence wichtige KPIs für die Produktionssteuerung ab. Diese beziehen sich insbesondere auf die Faktoren Effizienz, Verfügbarkeit und Qualität.

Industrie 4.0 mit SAP S/4HANA Manufacturing

SAP S/4HANA Manufacturing ist eine Lösung zur voll integrierten Abwicklung von Fertigungsprozessen und somit der Umsetzung von Industrie 4.0. Dies umfasst die Produktionsplanung ebenso wie die Konsolidierung und die Steuerung der eigentlichen Produktion. Ebenfalls sind Funktionen für das Qualitätsmanagement und die Wartung enthalten. Darüber hinaus ist die Anbindung externer Partner wie Lieferanten und Subunternehmer möglich (horizontale Integration). In SAP S/4HANA Manufacturing sind sämtliche Tools vorhanden, um eine voll automatisierte Fertigung und Losgrösse 1 zu realisieren.